Une découverte révolutionnaire ouvre la voie à une nouvelle électronique avec des matériaux chiraux
Les monopôles de moment angulaire orbital pourraient révolutionner les futures technologies de l'information
Des monopôles de moment angulaire orbital, qui devraient offrir des avantages significatifs pour la prochaine génération de dispositifs électroniques, ont été observés pour la première fois dans des matériaux chiraux par des scientifiques de l'Institut Max Planck de physique des microstructures de Halle et leurs collaborateurs internationaux. Cette découverte révolutionnaire, publiée dans la revue Nature Physics, pourrait marquer une étape importante dans le développement de l'électronique chirale.
Dans l'électronique traditionnelle, l'information est transférée en utilisant la charge des électrons. Toutefois, les technologies futures pourraient s'appuyer sur une autre propriété des électrons, à savoir leur moment angulaire intrinsèque. Jusqu'à présent, l'accent a été mis sur le spin des électrons, une forme de moment angulaire intrinsèque qui crée un moment magnétique, en tant que principal candidat pour les dispositifs de la prochaine génération. Aujourd'hui, les chercheurs explorent le potentiel de l'orbitronique, un domaine qui utilise le moment angulaire des électrons généré lorsqu'ils gravitent autour du noyau atomique. L'orbitronique est très prometteuse pour les dispositifs de mémoire, notamment parce qu'elle pourrait générer de grandes magnétisations avec de faibles courants de charge, ce qui permettrait de mettre au point une technologie économe en énergie.
L'un des principaux défis de l'orbitronique a été d'identifier les matériaux appropriés pour générer de grandes polarisations orbitales. Des avancées récentes ont permis de progresser en utilisant des matériaux conventionnels comme le titane. Cependant, les matériaux chiraux, qui présentent souvent une structure atomique hélicoïdale unique similaire à la double hélice de l'ADN, offrent une alternative intéressante. Ces matériaux possèdent naturellement des textures OAM comme propriété intrinsèque, ce qui les rend particulièrement intéressants pour l'orbitronique.
"Niels Schröter, chef de groupe indépendant à l'Institut Max Planck de physique des microstructures, qui a dirigé l'étude, explique : "Cela offre un avantage significatif par rapport à d'autres matériaux, car il n'est pas nécessaire d'appliquer des stimuli externes pour obtenir des textures orbitales : elles sont simplement là. "Cela leur donne le potentiel d'être vraiment stables.
La solution parfaite pour l'orbitronique : les hérissons hérissés
Une autre caractéristique inhabituelle et avantageuse de ces matériaux est leur capacité à accueillir des monopôles d'OAM dans leurs structures de bandes électroniques. Dans ce scénario, les OAM se comportent d'une manière qui défie les règles de symétrie observées dans les systèmes conventionnels. Par exemple, dans les aimants, on s'attend à ce qu'il y ait un pôle nord et un pôle sud, plutôt qu'un monopôle isolé.
Au niveau de ces monopôles, l'OAM rayonne vers l'extérieur comme les pointes d'un hérisson effrayé mis en boule. C'est ce qui rend ces matériaux si attrayants : L'OAM est uniforme dans toutes les directions, c'est-à-dire qu'il est isotrope.
"C'est une propriété très utile, car elle signifie que des flux d'OAM peuvent être générés dans n'importe quelle direction", explique Jonas Krieger, ancien postdoc à l'Institut Max Planck de physique des microstructures, qui a dirigé l'équipe expérimentale à l'origine de la découverte. M. Krieger est aujourd'hui chercheur titulaire à l'Institut Paul Scherrer, en Suisse, où il collabore toujours étroitement avec ses collègues allemands.
Mais où se cachent-ils ?
Les monopôles OAM dans les cristaux chiraux constituent depuis longtemps une perspective passionnante pour l'orbitronique, mais jusqu'à présent, ils n'existaient qu'en théorie. Leur observation expérimentale a constitué un défi de taille. La clé pour percer ce mystère réside dans une technique appelée dichroïsme circulaire en spectroscopie de photoémission résolue en angle (CD-ARPES), qui utilise les rayons X d'une source de lumière synchrotron. Malgré son potentiel, les tentatives précédentes de détection des monopôles OAM avec cette méthode avaient été infructueuses.
"Il y avait un décalage entre la théorie et l'expérience. Les chercheurs avaient peut-être collecté les bonnes données, mais la preuve de l'existence des monopôles OAM était cachée dans ces données", explique le Dr Schröter.
La difficulté provenait de l'interprétation des données complexes générées par CD-ARPES. Dans cette technique, la lumière est projetée sur un matériau, éjectant des électrons. Les angles et les énergies de ces électrons éjectés fournissent des informations sur la structure électronique du matériau. Lorsque l'on utilise de la lumière polarisée circulairement, on supposait initialement que les mesures refléteraient directement les OAM.
"Cette hypothèse s'est avérée trop simpliste. Notre étude a révélé que la réalité est beaucoup plus complexe", explique Michael Schüler de l'Institut Paul Scherrer, qui a supervisé l'élaboration des modèles théoriques utilisés pour interpréter les données.
La rigueur comble les lacunes
Déterminés à démêler l'écheveau complexe des données CD-ARPES pour révéler l'existence des monopôles OAM, Schröter, Krieger, Schüler et leurs collègues ont examiné deux types de cristaux chiraux : ceux composés de palladium et de gallium ou de platine et de gallium, qui ont été synthétisés à l'Institut Max Planck de physique chimique de Dresde, dans le groupe du professeur Claudia Felser.
L'équipe a abordé l'énigme avec un esprit ouvert afin de remettre en question toutes les hypothèses. Elle a ensuite franchi une étape supplémentaire inhabituelle en réalisant les expériences à différentes énergies de photons. "Au début, les données n'avaient aucun sens. Le signal semblait changer dans tous les sens", explique M. Krieger.
En comparant soigneusement les données expérimentales aux modèles théoriques, les scientifiques ont découvert comment les différentes contributions compliquaient les calculs de l'OAM à partir des données CD-ARPES. Ils ont ainsi démontré que le signal CD-ARPES n'était pas directement proportionnel aux OAM, comme on le pensait auparavant, mais qu'il tournait autour des monopôles lorsque l'énergie du photon était modifiée. Le modèle théorique qu'ils ont finalement construit correspondait aux données CD-ARPES, quelle que soit l'orientation du cristal ou l'énergie du photon testée.
Ils ont ainsi prouvé la présence de monopôles OAM. "L'élément déterminant était la robustesse", explique Schröter. "Certaines caractéristiques persistaient quelles que soient les conditions utilisées. Cela n'est possible qu'avec les monopôles OAM, où l'OAM est isotrope".
Armés de la capacité à visualiser avec précision les monopôles OAM, Schröter et ses collègues ont ensuite montré que la polarité du monopôle - que les pointes des OAM soient dirigées vers l'intérieur ou vers l'extérieur - pouvait être inversée en utilisant un cristal dont la chiralité est une image miroir. "Il s'agit d'une propriété très utile, car elle nous indique que nous contrôlons la directionnalité de la réponse orbitale aux stimuli externes par le biais de la chiralité de la structure cristalline", explique M. Schröter.
Perspectives d'avenir : Le centre d'électronique chirale
Cette découverte marque non seulement une étape importante dans le domaine de l'orbitronique, mais elle s'inscrit également dans les objectifs du nouveau centre pour l'électronique chirale, une initiative conjointe de l'Institut Max Planck de physique des microstructures et des universités de Halle, Berlin et Ratisbonne. Ce centre vise à répondre au besoin croissant de technologies de stockage et de traitement des données plus efficaces. En explorant les propriétés uniques de la chiralité dans les applications électroniques, le centre développera de nouveaux dispositifs dotés de fonctionnalités avancées.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Yun Yen, Jonas A. Krieger, Mengyu Yao,Iñigo Robredo, Kaustuv Manna, Qun Yang, Emily C. McFarlane, Chandra Shekhar, Horst Borrmann, Samiel Stolz, Roland Widmer, Oliver Gröning, Vladimir N. Strocov, Stuart S. P. Parkin, Claudia Felser, Maia G. Vergniory, Michael Schüler, Niels B. M. Schröter; Controllable orbital angular momentum monopoles in chiral topological semimetals; Nature Physics (2024)
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